pgtbl：只读共享页、页表可视化与 2MiB 大页

版本：pgtbl，提交 cff452f8f70f46e9b22f815fc879242ebe5eacd6。本实验包含四组工作：解释现有页表、加速 getpid、打印页表、实现 superpage。先完成内存的手算翻译，再写内核。

从真实输出解释权限

运行 pgtbltest，它通过已有 pgpte 接口观察用户页表。逐项说明：虚拟地址处是什么对象、映射到哪页、PTE flags 的各位意味着什么。不同运行的物理地址不必相同，不能用地址完全一致判断正确。重点区分用户文本、数据、guard、TRAPFRAME 和 TRAMPOLINE 的权限。

例如 0x13 的低位组合是 V、R、U，没有 W/X，适合用户只读数据页。不是所有“看起来像用户地址”的高端映射都应该带 U：用户能写 trapframe 会破坏内核恢复现场的可信性。

USYSCALL：分配、映射与释放成套设计

为每个进程准备一页，写入 struct usyscall 的 PID，并在 USYSCALL 映射成用户只读。ugetpid() 已提供，读取这个映射即可。

按生命周期实施：在创建进程时分配并初始化；proc_pagetable() 插入映射；构造失败时逆序撤销；销毁时解除映射并恰好释放一次。参考 trapframe 路径但不要逐字复制，因为 trapframe 没有 PTE_U，而 USYSCALL 必须允许用户读。

先单独通过 ugetpid，再做后续。若 fork 后 PID 错误，检查有没有误共享父进程内容；若反复 fork 后耗尽内存，检查失败路径与 freeproc；若用户写入该页成功，检查 PTE_W。

vmprint：递归时累积虚拟地址

每层 index 决定地址中的不同九位。递归传入当前前缀，遇到第 level 层的第 i 项，将 i << (12+9*level) 合入前缀。打印所有有效项，但只对非叶项递归。按层缩进，并打印完整 64 位值，便于看清结构。

2025 的输出格式包含该项对应的虚拟地址，不是旧教程常见的“只打印 index”。函数入口已经由 kpgtbl 连接；不需要另外发明一个启动时打印所有进程的接口。

大页需要改变分配单位

先在物理内存分配器中保留少量对齐的 2MiB 连续区域，用 superalloc/superfree 管理，普通 4KiB freelist 不应再次包含这些页。随后沿 sys_sbrk → growproc → uvmalloc 找到扩张路径，把能完整覆盖的对齐区间用 level-1 叶项表示，两头零散区间保留普通页。

假设新增长区间为 [0x180000,0x500000)：前面 [0x180000,0x200000) 用普通页，中间 [0x200000,0x400000) 可用一张大页，尾部 [0x400000,0x500000) 不满 2MiB，仍用普通页。不能只因为总长度超过 2MiB 就从起点直接映射大页。

本分支 walk() 已含 PTE_LEAF 判断，可提前返回高层叶项；但 walkaddr() 原样仅返回 PTE 中物理基址。若调用者需要普通页粒度的地址，必须考虑大页内部偏移，否则跨 4KiB 访问可能总落到大页开头。逐一审查 copyin/out、uvmcopy、uvmunmap 等消费者对“walk 总返回 level-0”的假设。

fork、释放与 demotion

uvmcopy 必须识别源映射大小并建立正确的子映射，不能把大页当页表递归，也不能只复制前 4KiB。uvmunmap 完整解除大页时释放 2MiB 块；部分解除则需要降为普通映射。

一种清楚的降级设计是准备末级页表，把大页中的 512 个普通页分别建立映射，再替换原 level-1 叶项，之后按普通页释放目标范围。这里有一个分配器陷阱：拆出来的 4KiB 片段不能既回到普通 freelist，又仍被 superfree 当成完整大块。必须定义拆分后所有权转移规则，并确保后续释放不会重叠。

失败路径也要保持原映射可用：新页表没分配成功前，不破坏旧大页；安装完成后考虑 TLB 刷新；部分释放后仍保留的页面内容必须完整。superpg_free 特别检查末尾 4KiB 被释放后，前一页的数据还存在。

验收

运行 pgtbltest、usertests -q、make grade。模型中的 2MiB 地址翻译测试只覆盖索引与偏移，不覆盖真实分配器的碎片、demotion、fork 回滚或 TLB。自己补充“恰好对齐”“只差一页”“先大页后缩小再增长”的场景。

自测：512 个 4KiB 页物理上连续，就可以自动当作大页吗？

还必须满足虚拟与物理起点对齐、权限一致、PTE 处于正确层级，以及引用和释放粒度可兼容。连续只是必要条件之一。

来源：2025 pgtbl 官方任务，固定分支中的 vm.c/riscv.h/proc.c/kalloc.c/user/pgtbltest.c。